相較于汽油和柴油動力汽車，電動汽車技術(shù)的發(fā)展仍處于初期階段（例如在性能和范圍方面）。因此，電動汽車在技術(shù)方面顯得更加靈活多變，并且往往集中在基礎(chǔ)組件級別。這意味著金屬和金屬元件的應(yīng)用正發(fā)生翻天覆地的變化，有時甚至需要挑戰(zhàn)材料的極限。

與此同時，汽車制造商和配件供應(yīng)商只愿意采用具備可擴展性和較高成本效益的制造技術(shù)。綜合上述各種原因，激光技術(shù)因具有非接觸、無磨損、加工一致性高、速度快等特點，而成為焊接、切割、硬化、釬焊和其他應(yīng)用中的首選技術(shù)。然而，傳統(tǒng)激光工藝往往無法滿足生產(chǎn)先進功能組件的需求。

在本文中，我們將探討專門面向電動汽車零部件的兩項激光焊接技術(shù)創(chuàng)新，其中均應(yīng)用了我們面向光纖激光焊接應(yīng)用領(lǐng)域推出的全新 CleanWeld 技術(shù)。

 鋁制電池蓋板焊接

在電動汽車所用的鋰電池生產(chǎn)中，其中一個關(guān)鍵步驟是焊接電池外殼。此焊接過程形成的氣密封口必須能保證在部件的使用過程不出問題。尤為重要的是，鋰電池需要此密封來阻隔水分入滲，以防水會與鋰元素發(fā)生劇烈反應(yīng)，致使產(chǎn)生的氣體和壓力毀壞設(shè)備。此外，焊接工藝本身不能產(chǎn)生任何飛濺，因為金屬顆粒（以及水分）會造成內(nèi)部漏電流，致使電池短路。最后，焊縫必須具有足夠高的機械強度，能耐受住粗暴處理，甚至要能夠經(jīng)受住碰撞的沖擊。

在傳統(tǒng)工藝中，由于電池壁很薄 (< 1 mm)，這種鋁電池殼體的密封是使用激光傳導(dǎo)焊接實現(xiàn)的。然而，傳導(dǎo)焊接的穿透力不足，焊接的孔隙率較高且強度也不夠，無法阻隔水分滲入。但是，使用更高的激光功率實現(xiàn)更深穿透（匙孔）的焊接有產(chǎn)生氣孔的風(fēng)險，會導(dǎo)致焊接強度不夠，并且?guī)缀蹩偸菚嬖谝欢ǔ潭鹊娘w濺。

相干公司的大量研發(fā)工作證明，通過改變聚焦激光光斑在工件上的強度分布，使之明顯偏離傳統(tǒng)的單峰高斯分布，即可實現(xiàn)高速且無飛濺的金屬深加工解決方案。具體來說，這項研發(fā)工作表明，如果采用環(huán)繞在另一個激光同心環(huán)中、由中心高斯分布點構(gòu)成的光束，可以取得理想效果。

我們可以使用相干公司 HighLight 系列的可調(diào)節(jié)環(huán)形光斑模式光纖激光器 (FL-ARM) 可讓聚焦光纖激光光斑實現(xiàn)這種特殊配置。該激光器的傳輸光纖強化了傳統(tǒng)的圓形纖芯，外覆另一層環(huán)形截面的光纖纖芯。

HighLight FL-ARM可調(diào)節(jié)環(huán)形光斑模式光纖激光器可提供2.5 kW 到 10 kW的輸出功率。可根據(jù)需要單獨調(diào)節(jié)中心和環(huán)形的功率，調(diào)節(jié)范圍可從 1% 到 100%。纖芯和環(huán)形光束甚至可以獨立調(diào)節(jié)，重復(fù)頻率高達 5 kHz。

在這種布局中，內(nèi)部光束與外部光束二者間的功率比實際上有無限種可能的組合。然而，所有這些組合大致上均可分組為圖 1 中所示的配置。這些基本模式可以變化調(diào)整來提供廣泛的工藝特性，從而以最優(yōu)方式滿足各種應(yīng)用的需求。

圖 1.簡化的 ARM 光纖示意圖以及聚焦激光光斑中可能出現(xiàn)的五種基本功率模式。

光纖激光器焊接鋁材時，挑戰(zhàn)之一在于材料對近紅外線的吸收率相對較低。吸收率可能存在較小的不可預(yù)知的較小變化，這也會導(dǎo)致穿透深度發(fā)生變化，進而造成焊接不均勻。

為了解決這個問題，以及優(yōu)化控制鋁電池殼體匙孔焊接，F(xiàn)L-ARM可調(diào)節(jié)環(huán)形光斑模式光纖激光器光束的中心和環(huán)形部分的光束功率均可配置。通過使用這種特殊的功率配置方法，光束前緣能夠充分提高鋁材溫度，進而提高相應(yīng)激光波長下的吸收率。此外，光束中心部分會形成匙孔，而由于經(jīng)過預(yù)熱，匙孔相當(dāng)穩(wěn)定。環(huán)形光束的后緣讓熔池可以在足夠長的時間內(nèi)保持開放，使氣體逸出。由于匙孔較為穩(wěn)定，材料不會迅速重新凝固，因此整個加工過程更加一致，工藝區(qū)間也更大。  最終得到均勻一致的材料穿透，以及低飛濺，低孔隙率的更高質(zhì)量的焊接。

  “銅制發(fā)卡繞組”焊接

將桿式銅制發(fā)卡繞組焊接到電機定子中是生產(chǎn)汽車電動馬達的一個重要步驟。銅制發(fā)卡繞組（形狀為“U”型，因此被稱為“銅制發(fā)卡繞組”）代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機中使用的線繞繞組。因為比金屬絲硬得多，我們可以更精確地控制銅質(zhì)發(fā)卡繞組在電機中的方向，最終實現(xiàn)更大的熱應(yīng)力和更高的電機效率。 

在組裝過程中，首先會將各個銅制發(fā)卡繞組裝載到定子槽中。然后，將相鄰銅制發(fā)卡繞組的末端焊接在一起，實現(xiàn)電路連接；焊接整個電機后，像傳統(tǒng)電機的繞組一樣，所有發(fā)卡將形成一條較長的絞合導(dǎo)線。

圖 2.未焊接的銅制定子   

圖 3.焊接后的銅制發(fā)卡繞組

這個過程的兩個關(guān)鍵點是焊接必須保持銅制發(fā)卡繞組的機械定位精準，并且沒有任何雜質(zhì)和顆粒物。銅制發(fā)卡繞組對齊非常重要，因為繞組形狀準確將直接影響電機效率。如果存在瑕疵，繞組成品的阻力就會增大，這不僅會降低電效率，還可能會降低組件的機械強度。

相干公司研發(fā)了一種使用光纖激光器來進行銅制發(fā)卡繞組焊接改善加工效果?；跇藴?HighLight? 系列光纖激光器的工藝的第一個關(guān)鍵因素就是“光束擺動”的使用。尤其是在這種情況下，我們可以有意縮小工件表面上聚焦光束的大小，使其小于焊接區(qū)域的總面積。但是，整個區(qū)域可以通過快速掃描（擺動）光斑的位置來進行覆蓋。

正如 FL-ARM可調(diào)節(jié)環(huán)形光斑模式光纖激光器，光束擺動的優(yōu)勢就是可以更精確地控制熔池的溫度動態(tài)。具體而言，通過讓光束反復(fù)快速地在工件上移動而不做停留，基本上能夠以高度可控的方式（而不是一次輸出所有功率）對工件實施預(yù)加熱，在提高光束效率的同時也不會減少有效功率。與傳統(tǒng)激光器焊接方法相比，F(xiàn)L-ARM可調(diào)節(jié)環(huán)形光斑模式光纖激光器有助于穩(wěn)定熔池，減少飛濺、避免瑕疵并降低焊接孔隙率。

相干公司還可提供改善激光焊接銅制發(fā)卡繞組加工效果的相關(guān)工具例如，激光焊接子系統(tǒng)包含可視系統(tǒng)來控制聚焦激光光束和銅質(zhì)發(fā)卡繞組的位置。 

 總結(jié)

總之，研發(fā)和操作成功的激生產(chǎn)流程涉及研究參數(shù)、設(shè)置和技術(shù)組合，只有這樣，才能最終實現(xiàn)出色的焊接效果。CleanWeld凈焊技術(shù)將相干公司在多個不同技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)知識（包括光纖激光器、傳輸光纖、聚焦光學(xué)器件和加工頭），以及我們廣泛的焊接工藝知識和內(nèi)部應(yīng)用開發(fā)能力熔于一爐，由此改善優(yōu)化了加工效果。  CleanWeld凈焊技術(shù)實現(xiàn)精確管理激光器功率在特定情形中的應(yīng)用方式，從而最大程度提高工藝可控性和穩(wěn)定性，確保始終保持一致的卓越加工效果。